水阀内置流量传感器的仪表常数分析

　　1　引言

　　当水流经涡轮流量传感器时,水通过导流器冲击叶轮叶片,由于叶轮的叶片与流体流向间有一倾角,流体的冲击力对叶轮产生转动力矩,使叶轮克服机械摩擦阻力矩和流体阻力矩而转动。实践证明,在一定的流量范围内,对于一定的流体介质黏度,叶轮的旋转角速度与通过叶轮的流量成正比。所以,可以通过测量叶轮的旋转角速度来测量流量。国内外学者提出许多理论流量方程,它们适用于各种传感器结构和流体工作条件。至今一些仪表特性的水动力学特性仍旧不很清楚,它与流体物性与流动特性有复杂的关系。比如当流场有漩涡和非对称速度分布时水动力学特性就非常复杂。不能用理论式推导仪表常数,仪表常数仍需由试验校验确定。但是理论流量方程有巨大的实用意义,它可用于指导传感器结构参数设计及现场使用条件变化时仪表系数变化规律的预测和估算。

　　本文针对图1所设计的水阀内置流量传感器进行了理论分析,推导出了流量传感器仪表常数的表达式 在此基础上对水阀内置流量传感器的理想仪表常数和理论仪表常数进行了比较分析和试验研究。

　　2　水阀内置流量传感器的仪表常数分析

　　水阀内置流量传感器叶轮受力如图2所示。图2中,为叶轮的驱动力矩,为轴与轴承的流体摩擦阻力矩,为叶片顶端与传感器外壳内壁之间的黏性摩擦阻力矩,为轮毂表面黏性摩擦阻力矩,为轮毂端面黏性摩擦阻力矩,为磁电信号检出器阻力矩和轴与轴承间的非流体摩擦阻力矩。图2中Rg为叶片轮毂半径,m;Rd为叶片边缘处半径;R0为流道半径,m;Vz为叶片进口截面上流体轴向速度,m/s;Lh为轮毂轴向长度,m;ω为叶轮旋转角速度,rad/s;Rl为轴的半径,m。

　　根据流体力学基本理论和国内外学者的研究成果,内置流量传感器叶轮叶片的受力模型如下

　　2. 1　仪表常数K的求解

　　将式(2)代入式(1),整理得表征仪表常数的的表达式为:

　　式中:f为当流体体积流量为Q(m3/s)时传感器所发脉冲的频率,Hz;N为叶轮的叶片数或发讯导磁柱数。

　　由式(8)可见,若想使K是一个不随流量变化的常数,即使传感器的线性工作范围宽,也要设法使,亦即使阻力矩之和为零。这一结论提示我们应合理设计叶片结构,以尽量减小黏性流体阻力矩、摩擦阻力矩Tzf以及磁阻力矩Tcf等。在不必细致分析阻力矩的情况下,作为近似公式,式(8)可简化为:

　　公式中的这几个参数都是叶轮的几何参数,一旦结构尺寸确定下来,就可以利用公式(9)近似计算出仪表系数K。